铝合金激光冲击强化表面改性的研究进展_柳军宁

铝合金激光冲击强化表面改性的研究进展柳军宁*1,2裴峻峰1,2(1.常州大学;2.江苏省油气井口装备工程技术研究中心)摘要介绍了激光冲击强化的作用机理,综述了激光冲击强化对铝合金材料残余应力、疲劳寿命、表面形态和微观结构等机械性能的影响和有限元分析方法在研究中的应用,总结了国内外在该领域的最新研究迸展。

关键词激光冲击强化铝合金机械性能中图分类号TQ05014+1文献标识码A文章编号0254-6094(2011)02-0141-05铝合金比重小,但却有着接近或超过优质钢的强度,具有热膨胀系数低、易于成形、热导率高、成本低廉等优点,广泛应用于航空、航天、汽车、包装、建筑、电子等各个领域。

但是,铝合金也存在诸多问题,如在氯离子及碱性介质存在的情况下,极易发生点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等多种形式的破坏,硬度较低、摩擦系数高、磨损大,容易拉伤且难以润滑导致铝合金耐磨性差。

这些在很大程度上都限制了铝合金的使用范围[1,2]。

国内外对铝及其合金表面进行改质处理的研究很多,这些方法都可改变铝及其合金表面的应力分布、摩擦系数、微观硬度等,以期拓宽其应用范围。

激光冲击波技术利用其极高的冲击压力,对材料作冲击改性处理,在金属的冲击强化处理和材料的冲击精密成型等领域已获得广泛的应用[3]。

笔者主要介绍激光冲击强化(LSP)在铝及其合金表面改性方面的应用和研究进展。

1激光冲击强化的机理激光冲击强化(简称LSP)技术,是利用高功率密度(大于1GW/c m2)的短脉冲(ns级)激光,辐照金属材料表面所产生的高密度等离子体喷射爆炸所形成的冲击应力波(GPa级)来改善材料的抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能的一项新技术[4~8]。

激光冲击一般采用钕玻璃、红宝石及YAG高功率激光装置[9](图1),激光功率密度一般大于1G W/c m2,有时可达10T W/c m2。

如此强度的激光与材料相互作用会出现激光等离子体现象,这是一种物理现象。

如图2所示,激光冲击强化过程可分为3个阶段[10]:当强激光穿过约束层冲击金属表面的能量吸收层时,能量吸收层会吸收激光的能量,在极短时间内汽化电离,形成一个高温高压的等离子体层;由于约束层的存在,等离子体压力迅速升高,施与试样一个冲击加载,产生向金属内部的强冲击波;冲击波压力达到GPa量级,远大于材料的动态屈服强度,使材料产生屈服和塑性变形,同时在成形区域产生残余压应力。

图1激光冲击强化设备示意图*柳军宁,男,1984年10月生,硕士研究生。

江苏省常州市,213016。

图2 激光冲击强化原理图与已有的激光热处理等技术相比,激光冲击强化设备具有如下特点[3]:所要求的是激光脉冲的峰值功率而非平均功率,激光系统所需脉冲宽度为10ns 量级、脉冲峰值功率为1GW 量级以上的高功率短脉冲激光系统;依据由高功率脉冲激光驱动的高压冲击波,基于激光冲击波效应(光力学效应)而非普通热效应(光热效应);其机理主要是金属材料处理层中位错密度的提高与残余压应力的产生;原则上可对所有的金属材料,包括对一些热处理效果不明显的材料进行有效的硬化(强化)处理;依据的是非热效应,故不存在热影响区,可进行任意的对接处理,乃至进行叠加处理。

2 对材料机械性能的作用2.1 残余应力表面残余应力状态对材料的疲劳抗力有显著影响,它在疲劳载荷中起着与平均应力等效的作用。

残余拉应力相当于正平均应力,可以降低疲劳强度;而残余压应力相当于负平均应力,它可以延缓疲劳裂纹的萌生,提高材料的疲劳强度。

因此,冲击处理后由于压应力的存在,使材料的抗疲劳寿命得以延长[3]。

激光冲击强化处理压应力的产生分为两个阶段[11],在激光与物质相互作用阶段,由等离子体的迅速喷射沿冲击波的传播方向产生一个纯粹的单轴压应力,而在平行于材料表面的平面内产生一个拉应力(图3a);受冲击的体积产生塑性应变,同时受冲击体积四周的金属材料为反抗这种因应变产生的体积变化,会在平行于冲击表面的平面内产生双轴压应力场(图3b)。

而这种压应力场对提高材料的疲劳寿命、抗磨损能力和抗腐蚀能力等表面机械性能都是有益的[12]。

a .激光冲击过程中b .激光冲击后图3 激光冲击强化残余压应力的形成过程 残余应力的大小和分布主要与涂层、光斑直径、冲击波的传播、激光强度和次数等因素有关[13]。

M ontross C S 等用持续40ns 的激光冲击2011-T3铝合金而不添加能量吸收涂层造成表面消熔,从而产生了很高的张应力。

Fabbr o 等分别用1.2、5.0mm 光斑直径的激光冲击55C1钢,发现前者的冲击波以1/r 2的衰减速度球面状传播,而后者则以1/r 的衰减速度在试样表面传播。

Peyre 等用功率密度在1.5~2.0G W /c m 2范围内的脉冲激光冲击A356-T6铝合金,材料表面残余压应力最高达到145M Pa 。

杜建钧等[14]利用钕玻璃强激光对厚度为1.2mm 铝合金板料进行了激光单点冲击成形实验,单次冲击LY12CZ 铝合金后,表面残余压应力达150M Pa ,而经过3次冲击后达250MPa 。

表明激光脉冲冲击次数与板料的变形量之间存在直接关系,随着次数的增加,板料变形量呈非线性增大趋势。

2.2 表面形态和微观结构激光喷丸是一种金属伴随着显著微观结构和相位变化的机械过程。

金属的表面形态对疲劳寿命的影响很大,研究者们通过对激光冲击强化处理材料进行扫描电镜(SE M )观察并测量表面粗糙度以研究材料的表面形态。

在没有激光吸收涂层保护的情况下,激光冲击强化处理会使金属(特别是铝及铝合金)产生严重的表面熔化和蒸发,从而导致金属表面变得粗糙,这对磨损和疲劳性能有很大的影响,所以选择合适的能量吸收涂层对冲击效果起着至关重要的作用。

Zhang X C 等[15]研究了T -i 6A -l 4V 铝合金在激光冲击强化作用下的抗疲劳性能(图4),没有激光处理区域的维氏硬度为HV 0.05335,对样本分别冲击1、2次,维氏硬度分别增加15%、24%。

PalM olian 等[16]在不同重复频率、不同吸收涂层的情况下用激光冲击强化319铝合金(图5),光学表面轮廓痕迹显示平均表面粗糙度达到1.5~4.0mm,维氏硬度为6.5~11GPa ,经球盘摩擦磨损实验机测得摩擦系数和磨损率均比光铝材要低。

Chu 等研究了激光冲击强化作用下的金属表面粗糙度,A 356铝合金能达到0.7~1.1mm,7075铝合金则能达到0.6~1.3mm 。

鲁金忠等[5]对LC4硬铝合金表面进行两点同时冲击和间断冲击强化处理,观察激光冲击强化后单次冲击区域和复合冲击区域的显微组织与结构的变化,测定了冲击区域的显微硬度和残余应力。

实验结果表明,两点同时冲击强化复合区域与两点连续冲击相比,各项机械性能都有明显的变化,其中硬度提高了9.99%,材料表面0b 、45b 和90b 残余应力分别下降27%、35%和12%,为今后开展金属板料的激光单次多点同时冲击实验提供依据。

2.3 疲劳性能很多金属材料在激光冲击强化作用下提高了疲劳寿命,其主要原因在于冲击产生的残余压应力和较好的表面质量可以减缓疲劳裂纹的生成和扩展。

范勇等[12]用激光冲击强化处理装置对重要航空铝合金结构材料7050T7451和7050T7452在不同工艺条件下进行了冲击强化处理,并对试件激光冲击区存在的残余压应力进行了测量。

结果显示经激光冲击处理后试件表面具有极高的残余压应力,可达-200M Pa 以上。

位错密度的测量是采用透射式扫描电镜在5000倍放大下进行的。

测量结果表明,经激光冲击处理后,冲击区与未经冲击处理区的位错密度相比有了显著的提高,并出现缠结结构。

在I nstron 1332型材料试验机进行了疲劳寿命的对比试验,结果显示,67.3MPa 载荷作用下,7050T7451试件疲劳寿命提高到未经冲击处理试件的435%以上;81.4MPa 载荷作用下7050T7452试件疲劳寿命提高到未经冲击处理试件的518%以上。

Zhang 等研究了LY2铝合金制造的涡轮发动机叶片在激光冲击强化作用下的应力分布和微观硬度,进而分析材料的疲劳寿命。

研究表明,冲击1、2次,残余应力分别达到-150、-220M Pa ,维氏硬度分别为HV155、HV160,疲劳寿命增加131.4%、132.5%。

证明激光冲击处理能有效提高材料的结构性能。

3 有限元分析方法有限元分析方法已经应用在模拟激光冲击强化处理研究领域,它能够模拟各种物理过程和变化的特征。

激光冲击强化的模拟主要集中在几个关键问题:有限的交互模式的最优化、激光参数的影响以及机械过程的相对分析模型。

B raisted W 等[17]首次利用二维有限元模型研究T -i 6A -l 4V 铝合金和35CD4合金钢在激光冲击处理作用下的机械性能,并预测其残余应力。

他们使用了一种有限元分析软件)))ABAQUS 的显性和隐性相结合的动态分析方法。

D i n g K 和Ye L[18,19]把二维模型延伸扩展到三维模型,并利用H ugoniot 弹性极限塑性模型模拟激光强化冲击在不同金属合金的作用。

Peyre P 等[20]也利用有限元法建立二维12%铬不锈钢和7075铝合金有限元模型,利用Johnson -Cook 塑性模型模拟分析了其在激光冲击处理过程中的高应变率。

O cana J L 等[21]利用流体力学有限元模型精确计算了脉冲激光等离子体的压力。

目前,这些研究的主要目的是通过实验和模拟来检验激光冲击强化影响下的异质性。

以有限元模型为基础研究在高斯应力载荷下的铝及其合金,并和一系列的实验进行比较。

4 结束语激光表面强化可以使铝合金的表层组织细化、表面粗糙度降低、维氏硬度增加,改善材料的抗疲劳、磨损等性能,这些都在研究者们的实验中得到验证。

但是要使激光喷丸技术作为一种成熟的工艺在实际工程中得到更广泛的应用,还需要很多的研究[10],如:高性能激光冲击装置的小型化和高稳定性;适用于实际工程应用的涂层与约束层技术;激光喷丸强化效果的无损检测;激光喷丸强化工艺的制定;激光喷丸强化效果的在线检测;激光喷丸强化运行成本的降低。

这些问题限制了该技术的进一步发展和应用。

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